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双片式ETC技术在联网收费中的应用
作者：蔡华 张北海
来源：中国一卡通网
日期：2007-08-24 15:25:32
摘要：本文在对我国高速公路联网收费现状及技术选择分析的基础上，提出了采用双片式电子标签结合双界面IC卡开展公路预付卡收费业务及电子不停车收费业务的思路，简述了将涉及的技术标准及互换性技术对策，并就如何促进该应用提出了建议。
一、高速公路联网收费发展现状及技术选择
自1998年国家提出加快基础设施建设的重大战略决策以来，高速公路建设进入了一个新的时期。高速公路收费系统也有了很大的发展，正是由于发展的原因，各路段所采用的收费技术千差万别，收费系统所使用的通行券介质种类也较多。
收费系统所使用的收费介质最能反映收费系统的技术特点。目前国内高速公路收费系统在用的通行券主要有两大类。一次性使用通行券和重复性使用通行券。一次性使用通行券包括纸质打印通行券、纸质磁性通行券，一维条码通行券、二维条码通行券。重复性使用通行券包括磁卡、接触式IC卡、非接触式IC卡。在用的预付卡有非接触式IC卡、ETC电子标签以及纸介质的月票。经过多年的收费实践，收费系统对收费介质的选择越来越注重以下方面的性能和技术要求：自动化程度、读写方式、数据安全性、存储容量、明文打印、介质成本、标准化与通用化（互换性）、设备可靠性及寿命、管理成本、对分段建设及混合收费路段的适应性、对计算机网络的依赖性。
综合考虑以上因素，新建联网收费系统宜作如下技术选择：
1、对于封闭式的区域性联网收费系统，收费方式宜采用人工半自动收费，即“人工收费、计算机管理、闭路电视监视”模式；电子不停车收费是收费技术的发展方向，有条件的省市可采用以人工半自动收费为主、电子不停车收费为辅的收费方式；
2、 人工半自动收费的付款方式以现金为主，积极推行预付卡（储值卡和记帐卡）一卡通和一卡多用，以减少现金收费比例，方便用户付费；
3、 一次性使用的通行券宜选择纸质磁性券和纸质二维条形码，重复使用的通行券宜选择非接触IC卡；电子标签宜采用可读写的“单片式”或“两片式”， “两片式”电子不停车收费系统应能与人工半自动收费系统的预付卡兼容。
上述技术选择思路在交通部即将发布的 “关于高速公路联网收费的暂行规定”中得到体现。
二、双片式ETC技术特点及应用方案简述
目前在建的省级联网收费系统大多数倾向采用逻辑加密非接触IC卡（Mifare 1卡）做通行券介质。有的收费系统所采用的读写器较为先进，能支持对多种类型卡片的读写操作，尤其是安全性能更高的非接触CPU卡（Mifare Pro卡），或者是读写器支持动态模块加载，具有平稳升级的能力。尽管个别系统开通了采用Mifare I的预付卡业务，但大多数收费系统设计者和业主单位已经意识到Mifare 1卡的安全性能不足以支持符合中国金融卡规范的预付卡收费业务，再加之受限于目前Mifare Pro卡价格较高，所以当前在公路收费业务中并没有开展大规模的非现金支付业务。
对于城市的公交一卡通系统，选择Mifare Pro卡做电子钱包已获得普遍认可。另外，采用Mifare Pro卡的预付卡业务的管理成本要大大低于采用Mifare I卡做通行券的现金收费业务。因此，有理由相信，未来在采用Mifare 1卡做通行券的高速公路收费系统中采用Mifare Pro卡做预付卡支持非现金交易是必然的趋势，问题只在于推进的时间快慢而已。这也是采用IC卡的收费系统业务扩展潜力高于采用其它纸、磁介质的收费系统的具体表现之一。
对于沿海经济发达地区，交通需求非常旺盛，采用IC卡形式的预付卡并不能满足部分群体的需要，尤其是对于中心城市的环城公路网、区域经济圈内的城间公路网，交通瓶颈很容易产生，高效、便捷的电子不停车收费（ETC）完全有必要作为辅助的收费方式进入整个区域联网收费系统。
目前在进行试点的ETC收费系统，大多采用单片式的电子标签作预付卡介质。这有经济性、可获得性及成熟度方面的考虑，是ETC系统建设初期较稳妥的选择。但由于采用单片式的电子标签时，整个ETC系统必须构成一个完整的封闭式系统，也就是说在路网内的所有入口和出口，必须有至少一条专用ETC车道（非ETC专用车道将给现场管理带来较大麻烦，不提倡采用）。这在客观上面临以下不利问题：
1、系统规模庞大，一次性投资高，建设周期长，风险大；
2、大多数入口收费站和出口收费站的交通量小，车道数量少，单独劈出一条专用ETC车道既困难，又不经济；
3、由于缺乏足够的备份ETC车道，系统可靠性和健壮性将无法得到保障。
基于以上原因，有必要考虑ETC收费系统与已建的非接触IC卡收费系统进行必要的结合。也就是说，ETC电子标签最好能采用非接触IC卡做数据存储介质，双片式电子标签正好具备这方面的潜力。
通常的双片式电子标签具有支持接触式IC卡和非接触IC卡读写的能力。但由于进行非接触IC卡读写时，电子标签要消耗大量电能产生电磁波以激活非接触IC卡的天线进行短距离通信。由于大多数用户希望电子标签作为自带电池的免维护长寿命产品使用，所以在电子标签采用车内取电的方式不可取的前提及现有的技术水平下，电子标签要实现对非接触IC卡的长寿命操作是很困难的。而比较现实的情况是电子标签能对接触式IC卡实现长寿命操作，但接触式IC卡不被非接触IC卡收费系统所接受。总的说来，电子标签必须采用接触式读写方式，人工半自动收费系统必须采用非接触读写方式。
IC卡产业界已经推出了同时支持接触式读写方式和非接触读写方式的双界面卡。当电子标签采用双界面IC卡做数据存储介质时，就可以很好地解决非接触IC卡半自动收费系统与ETC收费系统的结合问题，使两者的优势充分得以发挥。
具体的方案设计如下：
1、采用支持ISO 7816、ISO 14443协议，可读写Mifare 1、Mifare Pro、及双界面IC卡的专用收费机具设计IC卡车道收费系统；
2、采用双界面IC卡作双片式ETC电子标签的扩展数据存储介质。双片式ETC电子标签和双界面IC卡同时存储包括车主、车型、车辆物理参数等固定信息，
3、双界面IC卡存储帐号、余额、交易记录、入出口编号等信息，双界面IC卡内存储的信息能以接触式和非接触式两种方式进行读写访问；
4、ETC收费专用车道同时设置ETC 车道天线控制器和车道IC卡专用收费机具，由一台车道工控机进行控制，实现对正常ETC车辆、误入普通车辆通行费收取，以及灰、黑名单核查、原始交易记录生成、车道交通控制等功能；
5、在交通量大易产生交通流瓶颈的收费站按需设置1条以上的ETC收费专用车道，允许司机将双界面IC卡插入双片式ETC电子标签，免停车通过收费站，通行费被自动扣取，并大幅度提高收费口通行能力；
6、在一般收费站，仅设置IC卡收费车道，允许司机从双片式ETC电子标签中拨出双界面IC卡以非接触操作的方式刷卡扣款，短暂停车后通过收费站。
三、双片式ETC技术涉及的接口规范及互换性研究
双片式ETC技术采用了双界面IC卡作双片式电子标签数据存储器的思路，在结合应用过程中，涉及的标准和规范较多。
1、双界面IC卡支持非接触通讯功能,应符合ISO14443 TypeB标准或者TypeA标准（兼容Mifare）及交通部公路收费IC卡应用技术条件；
2、双界面IC卡支持接触式通讯功能，需遵循ISO 7816系列标准及中国金融集成电路技术规范；
3、ETC电子标签应符合ISO 14906应用层技术规范等国际主流标准体系。
标准是产品及设备具有良好互换性的有力保障，对于ETC设备的互换性问题，一直是国际社会普遍关注的问题。在有的国家，几乎建设了国际上所有标准体系的ETC系统。我国搞联网收费，必须重视产品的兼容性和互换性问题，包括ETC电子标签，双界面IC卡，电子标签读写器及IC卡读写器。
对于双片式ETC应用中的互换性问题，我们有如下五点技术对策：
1、明确规定标准体系中允许多种取值的选项，将可选参数规定下来。
2、按照标准有关规定，明确定义国内收费业务所需要使用的电子标签数据属性，含义及取值范围，非接触IC的卡片文件结构。
3、选择并规定执行电子收费交易的服务原语及应用接口函数。
4、明确为保持数据完整性、安全性所采用的安全控制技术。如密码核对、双向认证等。
5、定义本地使用的初始化数据及预留可能用到的本地化数据有效空间。
在互换性问题的探索方面，1999年7月，交通部公路所与广东省交通厅新粤投资有限公司在一些ETC厂商的支持和配合下，进行了现场测试，地点选在虎门大桥南沙收费站。试验分别采用广州本田、东风中型卡车和大型公共汽车搭载各种电子标签以时速30km和60km/h进行了分组试验。总的效果不错，为实施较大型的联网ETC系统积累了宝贵的第一手数据，尽管在个别问题上存在遗憾，但在当时世界范围内是很有意义的，测试证实了单片式电子标签实现互换是可能的，但需要多方面努力。
为了研究双片式ETC电子标签采用双界面IC卡在非接触IC卡联网收费系统中的实际应用效果，交通部公路科学研究所联合日本丰田电装公司、美国康柏公司、北京握奇数据系统有限公司等在交通部公路交通综合试验场开展这方面的试验并建立了有关演示系统，在取得经验后，将制定详细的接口规范及技术实施方案，并进行示范工程建设，条件成熟时纳入交通部有关技术标准。
四、促进双片式ETC技术推广应用需注意的问题
目前，许多省市对联网收费的积极性很高，总体来讲，实施采用非接触IC卡的人工半自动收费系统联网为推广采用双片式ETC收费系统创造了有利条件。联网收费在省内必将形成一个较大区域的联合收费网络，以前各路公司自行决定上马ETC的可能性骤减，但省管理中心有可能从提高服务质量及拓展业务领域的角度探索该方式，使得ETC收费向规范化方向发展。
但客观上，联网收费为推广ETC树立了较高的门槛，是从高起点走向规模化。需要ETC产品生产商及集成商提供更好的技术解决方案及更强的实力。 联网收费是新形势，对ETC技术实施有较高的要求，一些重要问题需引起有关方面注意。
1． 首先，ETC收费在当前并不是迫切的现实需求，因此有可能并更有必要在联网收费的规划、设计及建设过程中考虑Mifare 1通行卡、Mifare Pro预付卡、双片式ETC电子标签等各种收费介质的并存与发展问题。要注意系统的可扩展性，避免搞重复建设。
2． 对于双片式ETC电子标签与双界面IC卡的结合使用，虽然已经开展了一些试验，但ETC设备制造厂商和IC卡及读写机具制造商还应积极地作更多努力，尽可能推动本领域产品的规范化和标准化，避免存在太多的不确定接口参数。
3． 在我国公路收费领域的标准体系中，应尽快制定关于此类应用的技术条件和应用规范，为各省市采用双片式ETC技术创造有利条件。
结束语
实施非接触IC卡联网收费，为推广双片式ETC系统创造了必要的基础条件。建议选择成熟的主流技术，加强双界面IC卡和双片式电子标签结合应用的实施方案和互换性研究，从市场经济的角度适时适地发展公路预付卡收费业务及电子不停车收费业务。
作者简介：交通部公路科学研究所 蔡华 张北海
自1998年国家提出加快基础设施建设的重大战略决策以来，高速公路建设进入了一个新的时期。高速公路收费系统也有了很大的发展，正是由于发展的原因，各路段所采用的收费技术千差万别，收费系统所使用的通行券介质种类也较多。
收费系统所使用的收费介质最能反映收费系统的技术特点。目前国内高速公路收费系统在用的通行券主要有两大类。一次性使用通行券和重复性使用通行券。一次性使用通行券包括纸质打印通行券、纸质磁性通行券，一维条码通行券、二维条码通行券。重复性使用通行券包括磁卡、接触式IC卡、非接触式IC卡。在用的预付卡有非接触式IC卡、ETC电子标签以及纸介质的月票。经过多年的收费实践，收费系统对收费介质的选择越来越注重以下方面的性能和技术要求：自动化程度、读写方式、数据安全性、存储容量、明文打印、介质成本、标准化与通用化（互换性）、设备可靠性及寿命、管理成本、对分段建设及混合收费路段的适应性、对计算机网络的依赖性。
综合考虑以上因素，新建联网收费系统宜作如下技术选择：
1、对于封闭式的区域性联网收费系统，收费方式宜采用人工半自动收费，即“人工收费、计算机管理、闭路电视监视”模式；电子不停车收费是收费技术的发展方向，有条件的省市可采用以人工半自动收费为主、电子不停车收费为辅的收费方式；
2、 人工半自动收费的付款方式以现金为主，积极推行预付卡（储值卡和记帐卡）一卡通和一卡多用，以减少现金收费比例，方便用户付费；
3、 一次性使用的通行券宜选择纸质磁性券和纸质二维条形码，重复使用的通行券宜选择非接触IC卡；电子标签宜采用可读写的“单片式”或“两片式”， “两片式”电子不停车收费系统应能与人工半自动收费系统的预付卡兼容。
上述技术选择思路在交通部即将发布的 “关于高速公路联网收费的暂行规定”中得到体现。
二、双片式ETC技术特点及应用方案简述
目前在建的省级联网收费系统大多数倾向采用逻辑加密非接触IC卡（Mifare 1卡）做通行券介质。有的收费系统所采用的读写器较为先进，能支持对多种类型卡片的读写操作，尤其是安全性能更高的非接触CPU卡（Mifare Pro卡），或者是读写器支持动态模块加载，具有平稳升级的能力。尽管个别系统开通了采用Mifare I的预付卡业务，但大多数收费系统设计者和业主单位已经意识到Mifare 1卡的安全性能不足以支持符合中国金融卡规范的预付卡收费业务，再加之受限于目前Mifare Pro卡价格较高，所以当前在公路收费业务中并没有开展大规模的非现金支付业务。
对于城市的公交一卡通系统，选择Mifare Pro卡做电子钱包已获得普遍认可。另外，采用Mifare Pro卡的预付卡业务的管理成本要大大低于采用Mifare I卡做通行券的现金收费业务。因此，有理由相信，未来在采用Mifare 1卡做通行券的高速公路收费系统中采用Mifare Pro卡做预付卡支持非现金交易是必然的趋势，问题只在于推进的时间快慢而已。这也是采用IC卡的收费系统业务扩展潜力高于采用其它纸、磁介质的收费系统的具体表现之一。
对于沿海经济发达地区，交通需求非常旺盛，采用IC卡形式的预付卡并不能满足部分群体的需要，尤其是对于中心城市的环城公路网、区域经济圈内的城间公路网，交通瓶颈很容易产生，高效、便捷的电子不停车收费（ETC）完全有必要作为辅助的收费方式进入整个区域联网收费系统。
目前在进行试点的ETC收费系统，大多采用单片式的电子标签作预付卡介质。这有经济性、可获得性及成熟度方面的考虑，是ETC系统建设初期较稳妥的选择。但由于采用单片式的电子标签时，整个ETC系统必须构成一个完整的封闭式系统，也就是说在路网内的所有入口和出口，必须有至少一条专用ETC车道（非ETC专用车道将给现场管理带来较大麻烦，不提倡采用）。这在客观上面临以下不利问题：
1、系统规模庞大，一次性投资高，建设周期长，风险大；
2、大多数入口收费站和出口收费站的交通量小，车道数量少，单独劈出一条专用ETC车道既困难，又不经济；
3、由于缺乏足够的备份ETC车道，系统可靠性和健壮性将无法得到保障。
基于以上原因，有必要考虑ETC收费系统与已建的非接触IC卡收费系统进行必要的结合。也就是说，ETC电子标签最好能采用非接触IC卡做数据存储介质，双片式电子标签正好具备这方面的潜力。
通常的双片式电子标签具有支持接触式IC卡和非接触IC卡读写的能力。但由于进行非接触IC卡读写时，电子标签要消耗大量电能产生电磁波以激活非接触IC卡的天线进行短距离通信。由于大多数用户希望电子标签作为自带电池的免维护长寿命产品使用，所以在电子标签采用车内取电的方式不可取的前提及现有的技术水平下，电子标签要实现对非接触IC卡的长寿命操作是很困难的。而比较现实的情况是电子标签能对接触式IC卡实现长寿命操作，但接触式IC卡不被非接触IC卡收费系统所接受。总的说来，电子标签必须采用接触式读写方式，人工半自动收费系统必须采用非接触读写方式。
IC卡产业界已经推出了同时支持接触式读写方式和非接触读写方式的双界面卡。当电子标签采用双界面IC卡做数据存储介质时，就可以很好地解决非接触IC卡半自动收费系统与ETC收费系统的结合问题，使两者的优势充分得以发挥。
具体的方案设计如下：
1、采用支持ISO 7816、ISO 14443协议，可读写Mifare 1、Mifare Pro、及双界面IC卡的专用收费机具设计IC卡车道收费系统；
2、采用双界面IC卡作双片式ETC电子标签的扩展数据存储介质。双片式ETC电子标签和双界面IC卡同时存储包括车主、车型、车辆物理参数等固定信息，
3、双界面IC卡存储帐号、余额、交易记录、入出口编号等信息，双界面IC卡内存储的信息能以接触式和非接触式两种方式进行读写访问；
4、ETC收费专用车道同时设置ETC 车道天线控制器和车道IC卡专用收费机具，由一台车道工控机进行控制，实现对正常ETC车辆、误入普通车辆通行费收取，以及灰、黑名单核查、原始交易记录生成、车道交通控制等功能；
5、在交通量大易产生交通流瓶颈的收费站按需设置1条以上的ETC收费专用车道，允许司机将双界面IC卡插入双片式ETC电子标签，免停车通过收费站，通行费被自动扣取，并大幅度提高收费口通行能力；
6、在一般收费站，仅设置IC卡收费车道，允许司机从双片式ETC电子标签中拨出双界面IC卡以非接触操作的方式刷卡扣款，短暂停车后通过收费站。
三、双片式ETC技术涉及的接口规范及互换性研究
双片式ETC技术采用了双界面IC卡作双片式电子标签数据存储器的思路，在结合应用过程中，涉及的标准和规范较多。
1、双界面IC卡支持非接触通讯功能,应符合ISO14443 TypeB标准或者TypeA标准（兼容Mifare）及交通部公路收费IC卡应用技术条件；
2、双界面IC卡支持接触式通讯功能，需遵循ISO 7816系列标准及中国金融集成电路技术规范；
3、ETC电子标签应符合ISO 14906应用层技术规范等国际主流标准体系。
标准是产品及设备具有良好互换性的有力保障，对于ETC设备的互换性问题，一直是国际社会普遍关注的问题。在有的国家，几乎建设了国际上所有标准体系的ETC系统。我国搞联网收费，必须重视产品的兼容性和互换性问题，包括ETC电子标签，双界面IC卡，电子标签读写器及IC卡读写器。
对于双片式ETC应用中的互换性问题，我们有如下五点技术对策：
1、明确规定标准体系中允许多种取值的选项，将可选参数规定下来。
2、按照标准有关规定，明确定义国内收费业务所需要使用的电子标签数据属性，含义及取值范围，非接触IC的卡片文件结构。
3、选择并规定执行电子收费交易的服务原语及应用接口函数。
4、明确为保持数据完整性、安全性所采用的安全控制技术。如密码核对、双向认证等。
5、定义本地使用的初始化数据及预留可能用到的本地化数据有效空间。
在互换性问题的探索方面，1999年7月，交通部公路所与广东省交通厅新粤投资有限公司在一些ETC厂商的支持和配合下，进行了现场测试，地点选在虎门大桥南沙收费站。试验分别采用广州本田、东风中型卡车和大型公共汽车搭载各种电子标签以时速30km和60km/h进行了分组试验。总的效果不错，为实施较大型的联网ETC系统积累了宝贵的第一手数据，尽管在个别问题上存在遗憾，但在当时世界范围内是很有意义的，测试证实了单片式电子标签实现互换是可能的，但需要多方面努力。
为了研究双片式ETC电子标签采用双界面IC卡在非接触IC卡联网收费系统中的实际应用效果，交通部公路科学研究所联合日本丰田电装公司、美国康柏公司、北京握奇数据系统有限公司等在交通部公路交通综合试验场开展这方面的试验并建立了有关演示系统，在取得经验后，将制定详细的接口规范及技术实施方案，并进行示范工程建设，条件成熟时纳入交通部有关技术标准。
四、促进双片式ETC技术推广应用需注意的问题
目前，许多省市对联网收费的积极性很高，总体来讲，实施采用非接触IC卡的人工半自动收费系统联网为推广采用双片式ETC收费系统创造了有利条件。联网收费在省内必将形成一个较大区域的联合收费网络，以前各路公司自行决定上马ETC的可能性骤减，但省管理中心有可能从提高服务质量及拓展业务领域的角度探索该方式，使得ETC收费向规范化方向发展。
但客观上，联网收费为推广ETC树立了较高的门槛，是从高起点走向规模化。需要ETC产品生产商及集成商提供更好的技术解决方案及更强的实力。 联网收费是新形势，对ETC技术实施有较高的要求，一些重要问题需引起有关方面注意。
1． 首先，ETC收费在当前并不是迫切的现实需求，因此有可能并更有必要在联网收费的规划、设计及建设过程中考虑Mifare 1通行卡、Mifare Pro预付卡、双片式ETC电子标签等各种收费介质的并存与发展问题。要注意系统的可扩展性，避免搞重复建设。
2． 对于双片式ETC电子标签与双界面IC卡的结合使用，虽然已经开展了一些试验，但ETC设备制造厂商和IC卡及读写机具制造商还应积极地作更多努力，尽可能推动本领域产品的规范化和标准化，避免存在太多的不确定接口参数。
3． 在我国公路收费领域的标准体系中，应尽快制定关于此类应用的技术条件和应用规范，为各省市采用双片式ETC技术创造有利条件。
结束语
实施非接触IC卡联网收费，为推广双片式ETC系统创造了必要的基础条件。建议选择成熟的主流技术，加强双界面IC卡和双片式电子标签结合应用的实施方案和互换性研究，从市场经济的角度适时适地发展公路预付卡收费业务及电子不停车收费业务。
作者简介：交通部公路科学研究所 蔡华 张北海
